這是why的第 65 篇原創文章
荒腔走板
大家好，我是 why，歡迎來到我連續周更優質原創文章的第 65 篇。老規矩，先荒腔走板聊聊技術之外的東西。
上面這圖是去年的成都馬拉松賽道上，攝影師抓拍的我。哎，真是陽光向上的 95 後帥小夥啊。
今年由於疫情原因，上半年的馬拉松比賽全部停擺了。今年可能也沒有機會再跑一次馬拉松了。只有回味一下去年的成都馬拉松了。
去年成都馬拉松我跑的是半程，只有 21 公里，女朋友也報名跑了一個 5 公里的歡樂跑，所以前 5 公里都是陪著她邊跑邊玩。
過了 10 公里後，賽道兩邊的觀眾越來越多，成都的叔叔阿姨們特別的熱情。老遠看到我跑過來了，就用四川話大聲的喊：帥哥，加油。
還有很多老年人，手上拿著個小型國旗，在那裡手舞足蹈的揮舞著。
當然還有很多三五成群的小朋友，伸長了手臂，極力張開著五指。那是他們要和你擊掌的意思。
每擊一次，跑過之後都能聽到小朋友那特有的一連串的笑聲。他們收穫了歡樂，而我收穫了力量。
有一個轉彎的地方，路邊站著的男女老少都伸長著手臂，張開著五指，延綿幾十米，每個人嘴裡喊著鼓勁的話。
我放慢腳步，一個個的輕輕擊掌過去。這個時候耳機裡面傳來的是我迴圈播放的成都宣傳曲《I love this city》。
我不知道應該怎樣去描述那種氛圍帶給我的激勵和感動，感覺自己就是奔跑在星光大道上，我很懷戀。
每跑完一次馬拉松，都能帶給我爆棚的正能量。
當然了，成都馬拉松的官方補給我也是吹爆的。但是給我印象深刻的是大概在 16 公里的地方，有一處私人補給站，我居然在這裡喝了到幾口烏蘇啤酒，吃了幾口豆花，幾根涼麵，幾塊冒烤鴨。逗留了大概 5 分鐘的樣子。
哎呀，那感覺，難以忘懷，簡直是巴適的板。
好了，說迴文章。
阿里面試題
阿里巴巴出品的《碼出高效 Java 開發手冊》你知道吧？
前段時間我發現書的最後還有兩道 Java 基礎的面試題。其中有一道，非常的基礎，可以說是入門級的題，但是都把我幹懵了。
居然通過眼神編譯，看不出輸出結果是啥。
最後猜了個答案，結果還錯了。
這篇文章就帶著大家一起看看這題，分析分析他背後的故事。
首先看題：
public class SwitchTest {
public static void main(String[] args) {
//當default在中間時,且看輸出是什麼？
int a = 1;
switch (a) {
case 2:
System.out.println("print 2");
case 1:
System.out.println("print 1");
default:
System.out.println("first default print");
case 3:
System.out.println("print 3");
}
//當switch括號內的變數為String型別的外部引數時,且看輸出是什麼？
String param = null;
switch (param) {
case "param":
System.out.println("print param");
break;
case "String":
System.out.println("print String");
break;
case "null":
System.out.println("print null");
break;
default:
System.out.println("second default print");
}
}
}
這題主要是考的 switch 控制語句，你能通過眼神編譯，在心裡輸出執行結果嗎？
兩個考點
先看看答案：
怎麼樣，這個答案是不是和你自己給出來的答案一致呢？
反正我之前是被它那個 default 寫在中間的操作給迷惑了。
我尋思這玩意還有這種操作？能這樣寫嗎？
至於下面那個空指標，問題不大，一眼看出問題。
所以在我看來，這題一共兩個考點：
-
前一個 switch 考的是其流程控制語言。
-
後一個 switch 考的是其底層技術實現。
我們一個個剝絲抽繭，扒光示眾的說。一起把這個 switch 一頓爆學。
switch 執行流程
先看看考流程控制語句的：
這個程式的迷惑點在於第 5 行的註釋，導致我主要關注這個 default 的位置了，忽略了每個 case 並沒有 break。
沒有 break 導致這個程式的輸出結果是這樣的：
那麼 switch 是怎麼控制流程的呢？
帶著這個問題我們去權威資料裡面尋找答案。
什麼權威資料呢？
https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-14.html#jls-14.11
怎麼樣？
The Java® Language Specification，《Java 語言規範》，你就告訴我權不權威？
開啟我上面給的連結，在這個頁面那麼輕輕的一搜：
這就是我們要找的東西。
點選過去之後，在這個頁面裡面的資訊量非常大。我一會都會講到。
現在我們先關注執行流程這塊：
看到這麼多英語，不要慌，why 哥這種暖男作者，肯定是給你翻譯的巴巴適適的。但是建議大家也看看英文原文，有的時候翻譯出來的可能就差點意思。
接下來我就給大家翻譯一下官方的話：
來，第一句：
當 switch 語句執行的時候，首先需要計算表示式。
等等，表示式（Expression）是什麼？
表示式就是 switch 後面的括號裡面的東西。比如說，這個東西可以是一個方法。
那麼如果這個表示式的計算結果是 null，那麼就丟擲空指標異常。這個 switch 語句也就算完事了。
另外，如果這個表示式的結果是一個引用型別，那麼還需要進行一個拆箱的處理。
比如就像這樣式兒的：
test() 方法就是表示式，返回的是包裝型別 Integer，然後 switch 會做拆箱處理。
這個場景下 test 方法返回了 null，所以會丟擲空指標異常。
接著往下翻譯：
如果表示式的計算或者隨後的拆箱操作由於某些原因突然完成，那麼這個 switch 語句也就完成了。
突然完成，小樣，說的還挺隱晦的。我覺得這裡就是在說表示式裡面丟擲了異常，那麼 switch 語句也就不會繼續執行了。
就像這樣式兒的：
接下來就是流程了：
Otherwise，就是否則的意思。帶入上下文也就是說前面的表示式是正常計算出來了一個東西了。
那麼就拿著計算出來的這個東西（表示式的值）和每一個 case 裡面的常量來對比，會出現以下的情況：
-
如果表示式的值和其中一個 case 語句中的常量相等了，那麼我們就說 case 語句匹配上了。switch 程式碼塊中匹配的 case 語句之後的所有語句 （如果有）就按照順序執行。如果所有語句都正常完成，或者在匹配的 case 語句之後沒有語句，那麼整個 switch 程式碼塊就將正常完成。
-
如果沒有和表示式匹配的 case 語句，但是有一個 default 語句，那麼 switch 程式碼塊中 default 語句後面的所有語句（如果有）將按順序執行。如果所有語句都正常完成，或者如果 default 標籤之後沒有語句了，則整個 switch 程式碼塊就將正常完成。
-
如果既沒有 case 語句和表示式的值匹配上，也沒有 default 語句，那就沒有什麼搞的了，switch 語句執行了個寂寞，也算是正常完成。
其實到這裡，上面的情況一不就是阿里巴巴 Java 開發手冊的面試題的場景嗎？
你看著程式碼，再看著翻譯，仔細的品一品。
為什麼那道面試題的輸出結果是這樣的：
沒有為什麼，Java 語言規範裡面就是這樣規定的，按照規定執行就完事了。
除了上面這三種流程，官網上還接著寫了三句話：
如果 switch 語句塊裡面包含任何的表示或者意外導致立即完成的語句，則按如下方式處理：
我先說一下我理解的官方文件中說的：“any statement immediately ... completes abruptly”。
表示立即完成的語句就是每個 case 裡面的 break、return。
意外導致突然完成的語句就是在 switch 語句塊裡面任何會丟擲異常的程式碼。
如果出現了這兩種情況，switch 語句塊怎麼處理呢？
如果語句的執行由於 break 語句而完成，則不會採取進一步的操作（進一步操作是指如果沒有 break 程式碼，則將繼續執行後續語句），switch 語句塊將正常完成。
如果語句的執行由於任何其他原因突然完成（比如丟擲異常），switch 語句塊也會因相同的原因而立馬完成。
上面就是 switch 語句的執行流程。所以你還別覺得 switch 語句就必須要個 break，別人的設計就是如此，看場景的。
比如看官方給出的兩個示例程式碼：
這是不帶 break 的。需求就要求這樣輸出，你整個 break 幹啥。
再看另外一個帶 break 的：
實現的又是另外一個需求了。
所以，看場景。
另外，我覺得官網上的這個例子給的不好。最後少了一個 default 語句。看看阿里 Java 開發手冊上怎麼說的：
這個地方見仁見智吧。
底層技術實現
第二個考點是底層技術實現。
也就下面這坨程式碼：
首先經過前面的一個小節，你知道為什麼執行結果是丟擲空指標異常了不？
前面講了哈，官方文件裡面有這樣的一句話：
規定如此。
所以，這小節的答案是這樣的嗎？肯定不是的，我們多想一步：
為什麼這樣規定呢？
這才是這小節想要帶大家尋找的東西。
首先你得知道 switch 支援 String 是 Java 的一顆語法糖。既然是語法糖， 我們就看看它的 class 檔案：
從 class 檔案中，我們嚐到了這顆語法糖的味道。原來實際上是有兩個 switch 操作的。
switch 支援 String 型別的原因是先取的 String 的 hashCode 進行 case 匹配，然後在每個 case 裡面給 var3 這個變數賦值。然後再對 var3 進行一次 switch 操作。
所以，上圖中標記的 15 行，如果 String 是 null，那麼對 null 取 hashCode ，那可不得丟擲空指標異常嗎？
所以，你看《Java開發手冊》裡面的這個建議：
明白為什麼這樣寫了吧？
所以，這小節的答案是這樣的嗎？肯定不是的，我們再多想一步呢：
為什麼要非得把 String 取 hashCode 才進行 switch/case 操作呢？
從 class 檔案中我們已經看不出什麼有價值的東西了。只能在往下走。
class 再往下走就到哪裡了？
對了，需要看看位元組碼了。
通過 javap 獲得位元組碼檔案：
這個位元組碼很長，大家自己編譯後去看一下，我就不全部擷取，浪費篇幅了。
在這個位元組碼裡面，就算你什麼都不太明白。但是隻要你稍微注意一點點，你應該會注意到其中的這兩個地方：
結合著 class 檔案看：
奇怪了，同樣的 switch 語言，卻對應兩個指令：lookupswitch 和 tableswitch。
所以這兩個指令肯定是關鍵突破點。
我們去哪裡找這個兩個指令的資訊呢？
肯定是得找權威資料的：
怎麼樣？
The Java® Virtual Machine Specification，Java 虛擬機器規範，你就大聲的告訴我穩不穩？
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-3.html#jvms-3.10
在上面的連結中，我們輕輕的那麼一搜：
發現這兩個指令，在 Compiling Switches 這一小節中是挨在一起的。
找到這裡了，你就找到正確答案的門了。我帶領大家看一下我通過這個門，看到的門後面的世界。
首先還是給大家帶著我自己的理解，翻譯一下虛擬機器規範裡面是怎麼介紹這兩個指令的：
switch 語句的編譯使用的是 tableswitch 和 lookupswitch 這兩個指令。
我們先說說 tableswitch 是幹啥的。
當 switch 裡面的 case 可以用偏移量進行有效表示的時候，我們就用 tableswitch 指令。如果 switch 語句的表示式計算出來的值不在這個偏移量的有效範圍內，那麼就進入 default 語句。
看不太明白對不對？
沒關係，我第一次看的時候也不太明白。別急，我們看看官方示例：
因為我們 case 的條件是 0、1、2 這三個挨在一起的資料，挨在一起就是 near 。所以這個方法就叫做 chooseNear 。
而這個 0、1、2 就是三個連在一起的數字，所以我們可以用偏移量直接找到其對應的下一個需要跳轉的地址。
這個就有點類似於陣列，直接通過索引下標就能定位到資料。而下標，是一串連續的數字。
這個場景下，我們就可以用 tableswitch。
接著往下看：
當 switch 語句裡面 case 的值比較“稀疏”（sparse）的時候，用 tableswitch 指令的話空間利用率就會很低下。於是我們就用 lookupswitch 指令來代替 tableswitch。
你注意官網上用的這個詞：sparse。
沒想到吧，學技術的時候還能學個英語四級單詞。
稀疏。翻譯過來了，還是讀不懂是不是，沒有關係。我給你搞個例子：
左邊是 java 檔案，裡面的 case 只有 0、2、4。
右邊是位元組碼檔案， tableswitch 裡面有0、1、2、3、4。
對應的 class 檔案是這樣的：
嘿，你說怎麼著？莫名其妙多了個 1 和 3 的 case 。你說神奇不神奇？
這是在幹嘛？這不就是在填位置嘛。
填位置的目的是什麼？不就是為了保證 java 檔案裡面的 case 對應的值剛好能和偏移量對上嗎？
假設這個時候 switch 表示式的值是 2，我直接根據偏移量 2 ，就可以取到 2 對應的接下來需要執行的地方 47，然後接著執行輸出語句了：
假設這個時候 switch 表示式的值是 3，我直接根據偏移量 3，就可以取到 3 對應的接下來需要執行的地方 69，然後接著執行 default 語句了：
所以，0,1,2 不叫稀疏，0,2,4 也不叫稀疏。
它們都不 sparse ，缺一點點的情況下，我們可以補位。
所以現在你理解官網上的這句話了嗎：
當 switch 語句裡面 case 的值比較“稀疏”（sparse）的時候，用 tableswitch 指令的話空間利用率就會很低下。
比較稀疏的時候，假設三個 case 分別是 100，200，300。你不可能把 100 到 300 之間的數，除了 200 都補上吧？
那玩意補上了之後 case 得膨脹成什麼樣子？
空間佔的多了，但是實際要用的就 3 個值，所以空間利用率低下。
那 tableswitch 指令不讓用了怎麼辦呢？
別急，官方說可以用 lookupswitch 指令。
lookupswitch 指令拿著 switch 表示式計算出來的 int 值和一個表中偏移量進行配對（pairs）。
配對的時候，如果表裡面一個 key 值與表示式的值配上了，就可以在這個 key 值關聯的下一執行語句處繼續執行。
如果表裡面沒有匹配上的鍵，則在 default 處繼續執行。
你看明白了嗎？迷迷糊糊的對不對？
什麼玩意就出來一個表呢？
沒事，別急，官方給了個例子：
這次的例子叫做 chooseFar 。因為 case 裡面的值不是挨著的，0 到 100 之間隔得還是有點距離。
我不能像 tableswitch 似的，拿著 100 然後去找偏移量為 100 的位置吧。這裡就三個數，根本就找不到 100 。
只能怎麼辦？
就拿著我傳進來的 100 一個個的去和 case 裡面的值比了，這就叫 pairs。
其實官網上的這個例子沒有給好，你看我給你一個例子：
你看左邊的 java 程式碼，裡面的 case 是亂序的，到位元組碼檔案裡面後就排好序了。
而官方文件裡面說的這個“table”：
就是排好序的這個：
為什麼要排序呢？
答案就在虛擬機器規範裡面：
排序之後的查詢比線性查詢快。這個沒啥說的吧。它這裡雖然沒有說，但其實它用的是二分查詢，時間複雜度為O(log n)。
哦，對了。tableswitch 由於是直接根據偏移量定位，所以時間複雜度是 O(1)。
好了，到這裡我就把 tableswitch 和 lookupswitch 這兩個指令講完了。
我不知道你在看的時候有沒有產生什麼疑問，反正我看到這個地方的時候我就在想：
虛擬機器規範裡面就說了個 sparse，那什麼時候是稀疏，什麼時候是不稀疏呢？
說實話，作為程式設計師，我對“稀疏”這個詞還是很敏感的，特別是前面再加上毛髮兩個字的時候。
不知道為什麼說到“稀疏”，我就想起了謝廣坤。廣坤叔你知道吧，這才叫“稀疏”：
怎麼定義稀疏
所以，在 switch 裡面，我們怎麼定義稀疏呢？
文件中沒有寫。
文件裡沒有寫的，都在原始碼裡面。
於是我搞了個 openJDK，我倒要看看原始碼裡面到底什麼是 TMD 稀疏。
經過一番探索，找到了這個方法：
com.sun.tools.javac.jvm.Gen#visitSwitch
這裡我不做原始碼解讀，我只是想單純的知道原始碼裡面到底什麼 TMD 是 TMD 稀疏。
所以帶大家直接看這個地方：
這裡有個三目表示式。如果為真則使用 tableswitch ，為假則使用 lookupswitch。
我們先拿著這個不稀疏的，加上斷點調戲一番，呸，除錯一番：
斷點時候時候各個引數如下：
標號為 ① 的地方是代表我們確實除錯的是預期的程式。
標號為 ② 的地方我們帶入到上面的表示式中，可以求得最終值：
hi 是 case 裡面的表示式對應的最大值，也就是 2。
lo 是 case 裡面的表示式對應的最小值，也就是 0。
nlabels 代表的是 case 的個數，也就是 3。
所以帶入到上面的程式碼中，最終算出來的值 16<=18，成立，使用 tablewitch。
這就叫不稀疏。
假設我們把最後一個 case 改為 5：
Debug 時各個引數變成了這樣：
最終算出來的值 19<=18，不滿足，使用 lookupswitch 。
這叫做稀疏。
所以現在我們知道了到底什麼是 TMD 稀疏。
在原始碼裡面有個公式可以知道是不是稀疏的，從而知道使用什麼指令。
寫到這裡我覺得其實我應該可以住手了。
但是我還在《Java 虛擬機器規範》的文件裡面挖到了一句話。我覺得得講一下。
switch表示式支援的型別
在《Java 虛擬機器規範》文件中的這一部分，有這樣的一句話：
就看第一句我圈起來的話。後面的描述都是圍繞著這句話在展開描述。
Java 虛擬機器的 tableswitch 和 lookupswitch 指令，只支援 int 型別。
好，那我現在來問你：switch 語句的表示式可以是哪些型別的值？注意我說的是表示式。
這個答案在《Java 語言規範》裡面也寫著的：
你看，8 種基本型別已經支援了char、byte、short、int 這4 種，而這 4 種都是可以轉化為 int 型別的。
而剩下的 4 種：double、float、long、boolean 不支援。
為什麼？
你就想，你就結合我前面講的內容，把你的小腦殼子動起來，為什麼這 4 種不支援？
因為 double、float 都是浮點型別的，tableswitch 和 lookupswitch 指令操作不了。
因為 long 型別 64 位了，而tableswitch 和 lookupswitch 指令只能操作 32 位的 int 。這兩個指令對於 long 是搞不動的。
而至於 boolean 型別，還需要我說嘛？
你拿著 boolean 型別放到 switch 表示式裡面去，你不覺得害臊嗎？
你就不能寫個 if(boolean) 啥的？
然後你又發動你的小腦殼子想：對於 Character、Byte、Short、Integer 這 4 個包裝型別是怎麼支援的呢？
上個圖，左上是 java 檔案，右上是 jad 檔案，下面是位元組碼：
拆了個箱，實際還是用的 int 型別，這個不需要我細講了吧？
於是你接著想對於 String 型別是怎麼支援的呢？
它會先轉 hashCode。hashCode 肯定是稀疏的，所以用 lookupswitch。
然後在用 var3 這個變數去做一次 switch，經過轉化後 var3 一定不是稀疏的，所以用 tableswitch：
你再多想一步，因為是用的 String 型別的 hashcode，那如果出現了雜湊衝突怎麼辦？
看一下這個例子：
衝突了就再配一個 if-else 。
不用多說了吧。
最後，你再想，這個列舉又是怎麼支援的呢？
比如下面這個例子，看位元組碼，只看到了使用了 tableswitch：
我們再看一下 class 檔案，javap 編譯之後，變成了這樣：
它們分別長這樣的：
上面的 SwitchEnumTest.class 檔案看不出來什麼道道。
但是下面的 SwitchEnumTest$1.class 檔案裡面還是有點東西的。
可以看到靜態程式碼塊裡面有個陣列，陣列裡面的引數是列舉的型別，然後呼叫了列舉的 ordinal 方法。這個方法的返回值是列舉的下標位置。
在 class 檔案裡面獲取的資訊有限，需要祭出 jad 檔案來瞅一眼來：
上面就是 java 檔案對應的 jad 檔案。
標號為 ① 的地方是我們傳入的 switch 裡面的表示式，執行緒狀態列舉中的 RUNNABLE。
標號為 ② 的地方是給 int 數值中的位置賦值為 2。那麼是哪個位置呢？
RUNNABLE 線上程狀態列舉中的下標位置，如下所示，下標位置是1：
編號為 ③ 的地方是把 int 數值中下標為 1 的元素取出來？
我們前面剛剛放進去的。取出來是 2。
於是走到編號為 ④ 的邏輯中去。執行最終的輸出語句。
所以寫到這裡，我想我更加能明白著名程式設計師沃·滋基索德的一句話：
相對於 String 型別而言，列舉簡直天生就支援 Switch 操作。
奇怪的知識點
再送給你一個我在寫這篇文章的時候學到的一個奇怪的知識點。
我們知道 switch 的表示式和 case 裡面都是不支援 null 的。
你有沒有想過一個問題。case 裡面為什麼不支援 null?如果表示式為 null ，我們就拿著 null 去 case 裡面匹配，這樣理論上做也是可以做的。
好吧，應該也沒有人想這個問題。當然，除了一些奇奇怪怪的面試官。
這個問題我在《Java 語言規範》裡面找到了答案：
the designers of the Java programming language。
我的媽呀，這是啥啊。
Java 程式語言設計者，這是賞飯吃的祖師爺啊！
《Java 語言規範》裡面說：根據 Java 程式語言設計者的判斷，丟擲空指標這樣做比靜默地跳過整個 switch 語句或選擇在 default 標籤（如果有）裡面繼續執行語句要好。
別問，問就是祖師爺覺得這樣寫就是好的。
一個基本上用不到的知識點送給大家，不必客氣：
最後說一句（求關注）
這篇文章裡面還是很多需要翻譯的地方。我發現有很多的程式猿比較害怕英語。
之前還有人誇我英語翻譯的好：
其實我大學的時候英語四級考了 4 次，最後一次才壓線過的。
那為什麼現在看英文文件基本上沒有什麼障礙呢？
其實這個問題真的很好解決的。
你找一個英語六級 572 分，考研英語一考了 89 分的女朋友，她會督促你學英語的。
才疏學淺，難免會有紕漏，如果你發現了錯誤的地方，可以在留言區提出來，我對其加以修改。 感謝您的閱讀，我堅持原創，十分歡迎並感謝您的關注。
我是 why，一個被程式碼耽誤的文學創作者，不是大佬，但是喜歡分享，是一個又暖又有料的四川好男人。
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